CN108757794B - 一种复合材料拉伸吸能构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料拉伸吸能构件，其特征在于：由U型外壳1、长方体吸能泡沫2、横置三棱柱泡沫3，竖置三棱柱泡沫13组成。U型外壳1包含吸能泡沫放置段、放置三棱柱泡沫的构件截面缩减段、U型外壳端部贴合段。本构件按以下步骤制备，步骤一：制备U型外壳1；步骤二：将横置U型外壳101的端部拉开；步骤三：放入吸能泡沫2；步骤四：将竖置U型外壳102插入横置U型外壳101内；步骤五：插入横置三棱柱泡沫3与竖置三棱柱泡沫13；步骤六：将横置U型外壳101与竖置U型外壳102合拢加压固化。本发明充分发挥复合材料和泡沫两种材料的优势，有效提高构件拉伸吸能性能，具有制备方法简单，吸能效果好等优点。

Description

一种复合材料拉伸吸能构件及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种复合材料耗能构件及其制备方法。

背景技术

FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能材料。根据不同纤维材料，工程中常用的有碳纤维增强复合材料CFRP、玻璃纤维增强复合材料GFRP、芳纶纤维增强复合材料AFRP、玄武岩纤维增强复合材料BFRP等。纤维增强复合材料FRP抗拉强度高，其抗拉强度均明显高于钢筋，一般是钢筋的2倍甚至达10倍。但FRP材料在达到抗拉强度前,几乎没有塑性变形产生，受拉时应力、应变呈线弹性上升直至脆断。纤维增强复合材料的缓冲吸能性能差，尤其是单一的复合材料在防撞领域应用有诸多缺点。因此，可行的技术路线是考虑与其他材料组合来实现缓冲吸能的功能。

泡沫塑料是一种理想的缓冲吸能材料。泡沫材料具有质量轻、变形能力大、耗能能力强和价格低廉等优点，在汽车安全设计、航天器回收等领域已得到广泛应用。尤其是硬质聚氨酯泡沫具有质轻高强、耐冲击、隔热性能好等特性，成为防撞耗能以及保温结构的理想芯材。但是泡沫的缓冲吸能性能仅仅体现在它的压缩性能上，大多数的泡沫材料在拉伸时往往出现脆性破坏。

为了解决以上问题，本发明充分利用FRP良好的抗拉强度和泡沫的压缩塑性吸能性能，旨在提高复合材料构件的缓冲吸能能力。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种复合材料拉伸吸能构件及其制备方法，充分发挥了FRP和泡沫两种材料的优势，有效提高复合材料构件拉伸吸能性能。

一种复合材料拉伸吸能构件，其特征在于：由U型外壳1、长方体吸能泡沫2、横置三棱柱泡沫3与竖置三棱柱泡沫13组成。

所述的U型外壳1按位置分为吸能泡沫放置段10、构件截面缩减段11、U型外壳端部贴合段12。

所述的U型外壳1，按放置方式分为横置U型外壳101与竖置U型外壳102，两者在吸能泡沫放置段10和构件截面缩减段11交界处相互穿插，一横一竖，端部朝向相反。

所述的长方体吸能泡沫2，其特征在于：置于U型外壳1内部的吸能泡沫放置段10。

所述的横置三棱柱泡沫3，其特征在于：置于横置U型外壳101构件截面缩减段11。

所述的竖置三棱柱泡沫13，其特征在于，置于竖置U型外壳102构件截面缩减段11。

一种复合材料拉伸吸能构件制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：制备U型外壳型材4；使用金刚石切片5将U型外壳型材4切割成条状的U型外壳1；

步骤二：将横置U型外壳101的端部拉开一条缝隙，并涂抹结构胶；

步骤三：将表面涂抹好结构胶的吸能泡沫2放入横置U型外壳101内；

步骤四：将内部涂抹好结构胶的竖置U型外壳102插入开口的横置U型外壳101内；

步骤五：插入表面涂抹好结构胶的横置三棱柱泡沫3与竖置三棱柱泡沫13；

步骤六：将横置U型外壳101与竖置U型外壳102合拢加压，待结构胶固化后得到复合材料拉伸吸能构。

本发明相对于现有技术具有实质性特点和进步。主要表现在以下方面：

1、通过合适的组合方式，使抗拉性能好的FRP一直受拉，压缩性能好的泡沫一直受压，充分发挥两种材料的优势。通过两种材料的优势互补，克服了纤维增强复合材料拉伸脆性破坏，吸能效果差的问题，有效地提高了构件的拉伸吸能性能。

2、构件的吸能的能力具有可设计性，可以通过改变吸能泡沫的宽度和高度进行控制。

3、能量吸收稳定，力0位移曲线具有明显的平台阶段。

4、构件制备方法简单，生产效率高。

附图说明

图1为U型外壳截面图；

图2为使用模压法制备U型外壳型材；

图3为U型外壳型材切割加工示意图；

图4为U型外壳端部开口示意图；

图5为长方体吸能泡沫放置示意图；

图6为U型外壳插入示意图；

图7为U型外壳旋转示意图；

图8为U型外壳安装示意图；

图9为三棱柱泡沫安装示意图；

图10为复合材料拉伸吸能构件成品示意图；

图11为复合材料拉伸吸能构件拉伸吸能示意图；

图12为U型外壳端部开口应力图；

图13为U型外壳端部开口变形图；

图14为拉伸2.398mm位移时的应力图；

图15为拉伸61.49mm位移时的应力图；

图16为拉伸90.08mm位移时的应力图；

图17为复合材料拉伸吸能构件的力0位移曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料拉伸吸能构件，其特征在于：由两个U型外壳1、一个长方体吸能泡沫2、横置三棱柱泡沫3与竖置三棱柱泡沫13组成。

上所述的U型外壳1，其特征在于：包含吸能泡沫放置段10、构件截面缩减段11、U型外壳端部贴合段12。

上所述的两个U型外壳1，其特征在于：一个是横置U型外壳101，另一个是竖置U型外壳102，两者在吸能泡沫放置段10和构件截面缩减段11交界处相互穿插，一横一竖，端部朝向相反。

上述的长方体吸能泡沫2，其特征在于：置于U型外壳1内部的吸能泡沫放置段10。

上述的横置三棱柱泡沫3与竖置三棱柱泡沫13，其特征在于：置于U型外壳1内部的构件截面缩减段11

本发明按如下步骤进行制备：

步骤一：制备U型外壳型材4，如图2所示。使用金刚石切片5将U型外壳型材4切割成条状的U型外壳1，如图3所示；

步骤二：将横置U型外壳101的端部拉开一条缝隙，并涂抹结构胶，如图4所示；

步骤三：将表面涂抹好结构胶的吸能泡沫2放入横置U型外壳101内，如图5所示；

步骤四：将另一个内部涂抹好结构胶的竖置U型外壳102插入先前开口的横置U型外壳101内，如图6至图8所示；

步骤五：插入表面涂抹好结构胶的横置三棱柱泡沫3与竖置三棱柱泡沫13，如图9所示；

步骤六：将两个U型外壳1合拢加压，待结构胶固化后得到如图10所示的最终成品。

实施例2：

如图1所示为本发明的的U型外壳截面图，图中的两条虚线将截面分成了三个区域：吸能泡沫放置段10、构件截面缩减段11、U型外壳端部贴合段12。吸能泡沫放置段10包含一个矩形的内部空间，在该区域放置长方体吸能泡沫2。构件截面缩减段11包含一个三角形的内部空间，在该区域放置一块三棱柱泡沫。在吸能泡沫放置段10和构件截面缩减段11之间虚线位置穿过另一个完全一样的U型外壳1。U型外壳端部贴合段12在开始时是彼此分离的两块玻璃纤维板，在最后会使用结构胶粘接在一起。

下面结合附图对本发明进一步说明：

步骤一，如图2所示，以模压法为例，制备U型外壳型材4。首先对模具表面进行处理，在模具表面均匀喷涂脱模剂。然后按照图示从下往上的顺序进行组装，将已经预浸树脂的纤维铺设在L型底模7表面，再将五棱柱芯模6放入凹槽内，同时铺设聚四氟乙烯薄膜9，最后将另外半边纤维铺设好并安放顶模8。合模完成后将装配体放入烘箱中进行加热固化，待树脂固化后冷却至室温，打开顶模8，并将U型外壳型材4连同五棱柱芯模6取出。从U型外壳型材4的端部贴合段轻微撬动取出芯模6和聚四氟乙烯薄膜9，得到U型外壳型材4。除了使用模压法制备U型外壳型材4外，还可以使用真空辅助树脂传递法VARI或者复合材料拉挤成型工艺进行制备，他们均在本发明的保护范围之内。最后如图3所示，使用水冷金刚石切片5将U型外壳型材4切割成所需宽度的U型外壳1。切割完成后对U型外壳1内进行喷砂处理，使其内表面变得粗糙。

步骤二，如图4所示，将横置U型外壳101的端部贴合段沿图示箭头方向拉开一个缝隙，缝隙的大小略大于U型外壳1的厚度。然后在横置U型外壳101的内表面均匀涂抹结构胶。

步骤三，如图5所示，在长方体吸能泡沫2的各面均匀涂抹结构胶，然后将长方体吸能泡沫2沿图示箭头方向插入横置U型外壳101的内部。

步骤四，如图6至图8所示，先在另一个竖置U型外壳102的内表面均匀涂抹结构胶，然后从端部贴合段被拉开的横置U型外壳101的缝隙处沿图示箭头方向将竖置U型外壳102插入到构件截面缩减段11，并旋转到如图8所示的位置。两个U型外壳1相互交叉，将吸能泡沫2包裹在中间。

步骤五，如图9所示，首先在横置三棱柱泡沫3和竖置三棱柱泡沫13的表面均匀涂抹结构胶，然后沿图示箭头方向分别将两个三棱柱泡沫插入图示位置。

步骤六，如图10所示，将先前端部被拉开一条缝隙的横置U型外壳101合拢，并使用夹子将两个U型外壳1夹紧，保证U型外壳端部贴合段12能紧紧地粘接在一起，待结构胶硬化之后便得到复合材料拉伸吸能构件最终成品。

如图11所示，当复合材料拉伸吸能构件沿图示箭头方向拉伸时，内部的长方体吸能泡沫2将会被压缩，从而实现能量的吸收。

应用ABAQUS有限元软件模拟U型外壳1从端部被拉开10mm缝隙时的受力情况，如图12和图13所示。使用S4R单元进行模拟，结果显示该过程在玻璃纤维复合材料的弹性受力范围内，玻璃纤维复合材料不会发生损伤。

应用ABAQUS有限元软件对复合材料拉伸吸能构件的拉伸吸能过程进行了模拟，如图14、图15和图16所示。玻璃纤维U型外壳1使用S4R单元进行模拟。聚氨酯长方体泡沫2使用C3D8R单元进行模拟。玻璃纤维U型外壳1采用线弹性材料模型。聚氨酯长方体泡沫2使用可压碎泡沫模型。如图17所示为拉伸过程的力0位移曲线。刚开始构件处于弹性变形状态，拉力随着拉伸位移线性地增加，当拉力达到了临界拉力后，吸能泡沫2开始被压碎，此时进入了平台阶段，拉力不再随着位移的增加而增加，拉力保持稳定，这一现象也充分说明了构件能量吸收稳定。从图17也可以看出，当拉伸位移超过70mm后，吸能泡沫2开始被压缩密实，此时拉力随着拉伸位移的增加迅速变大，直到U型外壳1被拉断。同时，计算结果也表明加大U型外壳1和吸能泡沫2的宽度可以提高临界破坏拉力和总能量吸收大小。而加长U型外壳1的吸能泡沫放置段10和吸能泡沫2的长度可以提高总能量吸收大小和最大拉伸位移。此外，U型外壳1需要满足一定的厚度，以保证在拉伸吸能过程中不会发生破坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种复合材料拉伸吸能构件，其特征在于：由U型外壳(1)、长方体吸能泡沫(2)、横置三棱柱泡沫(3)，竖置三棱柱泡沫(13)组成；

所述的U型外壳(1)按位置分为吸能泡沫放置段(10)、构件截面缩减段(11)、U型外壳端部贴合段(12)；

所述的U型外壳(1)，按放置方式分为横置U型外壳(101)与竖置U型外壳(102)，两者在吸能泡沫放置段(10)和构件截面缩减段(11)交界处相互穿插，一横一竖，端部朝向相反；

所述的长方体吸能泡沫(2)置于U型外壳(1)内部的吸能泡沫放置段(10)；

所述的横置三棱柱泡沫(3)，置于横置U型外壳(101)构件截面缩减段(11) ；

所述的竖置三棱柱泡沫(13)，置于竖置U型外壳(102)构件截面缩减段(11)。

2.一种根据权利要求1所述的复合材料拉伸吸能构件的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：制备U型外壳型材(4)；使用金刚石切片(5)将U型外壳型材(4)切割成条状的U型外壳(1)；

步骤二：将横置U型外壳(101)的端部拉开一条缝隙，并涂抹结构胶；

步骤三：将表面涂抹好结构胶的吸能泡沫(2)放入横置U型外壳(101)内；

步骤四：将内部涂抹好结构胶的竖置U型外壳(102)插入开口的横置U型外壳(101)内；

步骤五：插入表面涂抹好结构胶的横置三棱柱泡沫(3)与竖置三棱柱泡沫(13)；

步骤六：将横置U型外壳(101)与竖置U型外壳(102)合拢加压，待结构胶固化后得到复合材料拉伸吸能构件。

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